CN104517033B - 一种面向能量效率的数控加工工艺参数多目标优化方法 - Google Patents

Abstract

为实现本发明的目的而采用的技术方案是这样的，公开了一种面向能量效率的数控加工工艺参数多目标优化方法，包括以下步骤：1)设定数控切削加工的主轴转速为n、每齿进给量为f_z、背吃刀量为a_p，以及侧吃刀量为a_e；2)建立数控加工工艺参数多目标优化模型：minF(n，f_v，a_p，a_e)＝(minSEC，minT_p)；3)确定约束条件；4)对所述目标模型进行优化，获得minF(n，f_v，a_p，a_e)时，对应的n、f_z、a_p和a_e的值；5)采用步骤4)所获得的主轴转速n、每齿进给量f_z、背吃刀量a_p以及侧吃刀量a_e对工件进行切削加工。

Description

一种面向能量效率的数控加工工艺参数多目标优化方法

技术领域

本发明涉及机械切削加工领域，具体涉及数控加工中与能量效率相关的工艺参数优化方法。

背景技术

在机械加工的生产过程中，数控加工工艺参数的选择直接关系到所加工产品的产品质量、生产效率、生产成本等。合理地选择数控加工工艺参数对提高生产效率，降低生产成本，改善产品质量有着非常重要的意义。目前，在大多数生产实际中，数控加工工艺参数的选择主要依赖于经验或查阅数控加工工艺参数手册，但按照此种方法所选择的数控加工工艺参数往往不是最优的，会导致生产周期长，生产率不高，能量效率低，资源浪费，使得成本升高等问题。

发明内容

本发明为解决数控加工由于数控加工工艺参数的选择不当而造成的以上问题。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，即一种面向能量效率的数控加工工艺参数多目标优化方法，包括以下步骤：

1)设定数控切削加工的主轴转速为n、每齿进给量为f_z、背吃刀量为a_p，以及侧吃刀量为a_e；

2)建立数控加工工艺参数多目标优化模型：

minF(n，f_v，a_p，a_e)＝(minSEC，minT_p)；

其中，T_p＝t_st+t_air+t_cutting+t_ct，t_st为待机时间；t_air为空切削时间，L_air为空切路径长度，f_v是所在传动轴进给速度，f_v＝nzf_z，z为刀具齿数；t_cutting为切削时间，L为切削路径长度；t_ct为换刀时间，其中，t_pct表示单次磨顿换刀时间，T表示刀具寿命。

SEC表示数控加工能效，可用比能表示，可表示为机床总能耗(E_total)与物料去除体积(MRV)的比值，

E_total为机床总能耗，分两种情况：

考虑全加工过程时：

全加工过程机床总能耗(E_total)主要考虑待机时段、空切时段、加工时段和磨钝换刀时段的机床能耗，因此一个完整的机械加工过程的机床总能耗E_total表示为

由于机床的待机、空切削、加工三个时段中负载变化都处于相对平稳的状态，E_total进一步表示如下：

仅考虑切削过程时：

不考虑机床待机能耗以及磨钝换刀能耗。具体公式表示如下：

其中，MRR表示物料去除率，对于铣削加工，MRR＝f_va_pa_e，单位mm³/min。P_st表示待机时段能耗，机床待机时段功率包括动力关联类辅助系统的功率P_au-power、空载系统中变频器P_inverter和伺服器功率，P_air表示机床空切削时段的功率，主要由机床辅助系统功率P_au和空载功率P_u两部分组成，P_air＝P_au+P_u。P_cutting表示切削时段功率，数控机床切削功率消耗主要由辅助系统功率P_au、空载功率P_u、切削功率P_c以及附加载荷功率P_a四部分组成，即，P_cutting＝P_au+P_u+P_c+P_a。其中，辅助系统功率P_au＝P_au-power+P_au-machine，P_au-machine为加工关联类辅助系统功率；空载功率P_u主要由主传动系统空载功率和进给系统空载功率两部分组成，即有P_spindle表示主传动系统空载功率，主传动系统主要包括变频器、主轴电机、机械传动系统，因此P_spindle＝P_motor+P_inverter+P_{spindle-transmitt}，P_motor表示主轴电机损耗。P_{spindle-transmitt}＝a₁n+a₂n²表示主传动机械传动空载功率，a₁、a₂是机械传动损耗系数；表示进给系统空载功率，进给系统采用伺服电机和伺服驱动器组合结构，因此，对于机床x方向(X轴、Y轴、Z轴)传动轴，其进给系统空载功率表示为： 分别表示所在传动轴伺服电机损耗和伺服驱动器损耗，表示所在传动轴进给机械传动空载功率，b₁、b₂是传动轴机械传动空载损耗系数。切削功率P_c是衡量切削能耗的重要参量，可表示为P_c＝F_cv_c＝k_cMRR，其中，F_c是主切削力，v_c是切削速度，k_c是切削力系数；附加载荷功率P_a与切削功率成二次函数关系，P_a＝c₀P_c+c₁P_c ²，c₀、c₁为P_a与P_c构成的二次函数的系数。P_ct表示机床磨钝换刀功率，磨钝换刀功率P_ct与待机时段功率P_st相等。

3)确定约束条件：

其中，n_min≤n≤n_max表示主转轴约束，n_min和n_max分别表示机床最低和最高转速；f_vmin≤f_v≤f_vmax表示进给量约束，f_vmax和f_vmin分别表示机床的最快和最慢进给速度；P_c≤ηP_max表示机床的功率约束，η是机床功率有效系数，P_max是机床最大功率；F_c≤F_cmax表示机床的切削力约束，F_cmax表示机床所能提供的最大切削力；F_c≤F_s表示主轴刚度约束，F_s是主轴刚度所能允许的最大切削力；R_a＜[R_a]表示加工精度约束，L_a为刀具的前角；C_a为刀具的后角，[R_a]为工件所允许的最大表面粗糙度值。

4)对所述目标模型进行优化，即获得minF(n，f_v，a_p，a_e)时，所对应的n、f_z、a_p和a_e的值。

5)采用步骤4)所获得的主轴转速n、每齿进给量f_z、背吃刀量a_p以及侧吃刀量a_e对工件进行切削加工。

本发明以数控加工能效和加工总时间为优化目标函数建立优化模型。在应用过程中，可采用粒子群算法、遗传算法、禁忌搜索法等传统的处理约束最优化问题的方法对模型进行求解，根据实际情况来选择加工参数，对提高生产效率，降低生产成本，改善产品质量有着非常重要的意义。

附图说明

图1为连续禁忌搜索多目标算法流程。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例：

本实施例以某公司CNC500五轴联动机床为平台，采用以硬质合金整体铣刀铣削尺寸为150×100方钢表面，采用申请人自主研发的机床能效监控系统来测量数控机床实时功率。实验条件主要包括机床条件、刀具条件等，具体如下：

(1)机床条件

表1机床型号及其参数

包括以下步骤：

1)设定数控切削加工的主轴转速为n、每齿进给量为f_z、背吃刀量为a_p，以及侧吃刀量为a_e；

2)建立数控加工工艺参数多目标优化模型：

minF(n，f_v，a_p，a_e)＝(minSEC，minT_p)；

其中，T_p＝t_st+t_air+t_cutting+t_ct，t_st为待机时间；t_air为空切削时间，为空切路径长度，f_v是所在传动轴进给速度，f_v＝nzf_z，z为刀具齿数；t_cutting为切削时间，L为切削路径长度；t_ct为换刀时间，其中，t_pct表示单次磨顿换刀时间，T表示刀具寿命。

SEC表示数控加工能效，可用比能表示，可表示为机床总能耗(E_total)与物料去除体积(MRV)的比值，

E_total为机床总能耗，分两种情况：

考虑全加工过程时：

全加工过程机床总能耗(E_total)主要考虑待机时段、空切时段、加工时段和磨钝换刀时段的机床能耗，因此一个完整的机械加工过程的机床总能耗E_total表示为

由于机床的待机、空切削、加工、换刀四个时段中负载变化都处于相对平稳的状态，E_total进一步表示如下：

仅考虑切削过程时：

不考虑机床待机能耗以及磨钝换刀能耗。具体公式表示如下：

其中，MRR表示物料去除率，对于铣削加工，MRR＝f_va_pa_e，单位mm³/min。P_st表示待机时段功率，机床待机时段功率包括动力关联类辅助系统的功率P_au-power、空载系统中变频器P_inverter和伺服器功率，P_air表示机床空切削时段的功率，主要由机床辅助系统功率P_au和空载功率P_u两部分组成，P_air＝P_au+P_u。P_ct表示机床磨钝换刀功率，磨钝换刀时段功率P_ct与待机时段功率P_st相等。P_motor表示主轴电机损耗。P_{spindle-transmitt}＝a₁n+a₂n²表示主传动机械传动空载损耗，a₁、a₂是机械传动损耗系数。表示所在传动轴伺服电机损耗。表示所在传动轴进给机械传动空载损耗，f_v是所在传动轴进给速度，b₁、b₂是传动轴机械传动空载损耗系数。P_au-machine是加工关联类辅助系统功率。P_cutting表示切削时段能耗，数控机床切削功率消耗主要由辅助系统功率P_au、空载功率P_u、切削功率P_c以及附加载荷功率P_a四部分组成，即，P_cutting＝P_au+P_u+P_c+P_a。其中，辅助系统功率P_au＝P_au-power+P_au-machine；空载功率P_u主要由主传动系统空载功率和进给系统空载功率两部分组成，即有P_spindle表示主传动系统空载功率，主传动系统主要包括变频器、主轴电机、机械传动系统，因此P_spindle＝P_motor+P_inverter+P_{spindle-transmitt}，表示进给系统空载能耗，进给系统采用伺服电机和伺服驱动器组合结构。因此，对于机床x方向(X轴、Y轴、Z轴)传动轴，其进给系统空载功率表示为： 分别表示所在传动轴伺服电机损耗和伺服驱动器损耗；切削功率P_c是衡量切削能耗的重要参量，可表示为P_c＝F_cv_c＝k_cMRR，其中，F_c是主切削力，v_c是切削速度，k_c是切削力系数，MRR是物料去除率；附加载荷功率P_a与切削功率成二次函数关系，P_a＝c₀P_c+c₁P_c ²，c₀、c₁为P_a与P_c构成的二次函数的系数。

(1).机床铣削加工空载系统功率拟合

①主传动系统空载功率拟合

主传动系统空载功率P_spindle主要由变频器功率P_inverter、主轴电机功率P_motor、机械传动系统空载功率P_{spindle-transmitt}组成。主轴电机功率和机械传动系统空载功率可由机床空转功率P_idle与待机功率P_st差值求得，如公式(1)所示：

P_motor+P_{spindle-transmitt}＝P_idle-P_st (1)

表3实验参数及采集数据

表4主轴转速n与对应P_motor和P_{spindle-transmit}

针对精雕机床空载特性，转速n选取2500到4500，每齿进给f_z分别选取0.008、0015、0.022三个水平进行实验，获取实验数据如表3所示。根据公式(1)计算得到主轴转速n与对应P_motor和P_{spindle-transmitt}，如表4所示。根据表4数据，拟合得到主轴电机P_motor和主传动系统机械损耗P_{spindle-transmitt}，如公式(2)所示。

P_motor+P_{spindle-transmitt}＝433.3-0.07832n+0.000002n (2)

因此，主传动系统能耗模型可表示为：

P_spindle＝P_inverter+433.3-0.07832n+0.000002n² (3)

②进给系统空载功率拟合

进给系统机械空载损耗P_{feed-transmitt}和进给轴电机损耗P_servermotor可由机床空切功率P_air与空转功率P_idle差值求得，如公式(4)。基于表3数据求得P_servermotor和P_{feed-transmitt}数据如表5所示。

P_servermotor+P_{feed-transmitt}＝P_air-P_idle (4)

表5x轴进给速度f_v与对应P_{server motor}和P_{feed-transmit}

根据表5数据可拟合得此机床X轴方向伺服电机和机械传动损耗，如公式(5)所示。

P_servermotor+P_{feed-transmitt}＝1.769+0.03535(nzf_z)+0.000013(nzf_z)² (5)

因此，进给系统功率可表示为：

P_feed＝P_drives+1.769+0.03535(nzf_z)+0.000013(nzf_z)² (6)

因此，根据公式(3)和公式(6)求得机床空载系统功率P_u，如公式(7)所示。

(2).机床加工切削功率及附加载荷功率拟合

附加载荷功率P_a＝a₀P_c+a₁P_c ²，其中切削功率P_c＝k_c×MRR，因此可转化为因此，切削功率与附加载荷功率可表示：

P_c+P_a＝k_cMRR+c₀k_cMRR+c₁k_c ²MRR² (8)

采用正交试验方法设计实验，实验安排及数据如表6所示：

表6正交铣削实验参数及实验数据

切削功率及附加载荷功率等于机床总功率与空切功率的差值，计算所得P_c+P_a值及对应的MRR如表7所示：

表7MRR与对应的P_c+P_a

通过表7数据可进行模型拟合，所得到的二次函数关系模型如下所示：

P_c+P_a＝11.01+0.9917MRR+0.000633MRR² (9)

(3).机床数控加工总能耗(E_total)

考虑全加工过程时：

仅考虑切削过程时：

3)确定约束条件：

其中，n_min≤n≤n_max表示主转轴约束，n_min和n_max分别表示机床最低和最高转速；f_vmin≤f_v≤f_vmax表示进给量约束，f_vmax和f_vmin分别表示机床的最快和最慢进给速度；P_c≤ηP_max表示机床的功率约束，η是机床功率有效系数，P_max是机床最大功率；F_c≤F_cmax表示机床的切削力约束，F_cmax表示机床所能提供的最大切削力；F_c≤F_s表示主轴刚度约束，F_s是主轴刚度所能允许的最大切削力；R_a＜[R_a]表示加工精度约束，L_a为刀具的前角；C_a为刀具的后角，[R_a]为工件所允许的最大表面粗糙度值。

4)对所述目标模型进行优化，即获得minF(n，f_v，a_p，a_e)时，所对应的n、f_z、a_p和a_e的值。

本实施案例采用连续禁忌搜索的优化算法求解，步骤如图1所示。

5)采用步骤4)所获得的主轴转速n、每齿进给量f_z、背吃刀量a_p以及侧吃刀量a_e对工件进行切削加工。

采用步骤4)得到数控加工工艺参数优化数据，如表8所示。

表8优化结果对比

对比分析表8可知，单独优化全过程SEC时，比能小于优化全过程SEC&T及优化全过程T得到的比能值，优化的时间T值要大于两个全过程优化方案；单独优化全过程T时，优化的时间T要小于优化全过程SEC&T和优化全过程SEC方案，SEC值要大于两者；优化全过程SEC&T方案兼顾能效SEC和时间T，SEC值与优化全过程SEC方案相比虽然增大了2.3％，时间T降低了6.46％，时间T与优化全过程T方案相比虽然增大了2.17％，SEC降低了15.7％。与经验值相比，经验值求得时间比优化全过程SEC&T时间长12.4％，比能值要高41.4％，综合比较，全过程优化SEC&T方案要优于其余两个全过程单目标优化方案及经验值。

对比优化全过程SEC与优化切削阶段SEC两个方案的参数优化结果可看出，优化切削阶段SEC方案得到n和f_z要大，a_p和a_e基本一致，这是因为优化切削阶段SEC方案中没有考虑磨钝换刀能耗，一味追求高能效，优化结果取得较高的物料去除率MRR。

表9实验及优化结果对比

类型	模型SEC(J/mm3)	实验SEC(J/mm3)	差值	误差率
					全过程优化(SEC&T)	731.64	794.29	62.65	8.6％
全过程优化SEC	715.09	766.16	51.07	7.14％
					全过程优化T	866.96	924.34	57.38	6.62％
切削阶段优化SEC	324.86	341.13	16.27	5％

表9的数据表明，通过回归模型算得的比能及加工时间值与实验测量值的误差率均小于10％，说明回归模型可靠，优化结果有效。

Claims (1)

1.一种面向能量效率的数控加工工艺参数多目标优化方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)设定数控切削加工的主轴转速为n、每齿进给量为f_z、背吃刀量为a_p，以及侧吃刀量为a_e；

2)建立数控加工工艺参数多目标优化模型：

min F(n，f_v，a_p，a_e)＝(min SEC，min T_p)；

其中，T_p＝t_st+t_air+t_cutting+t_ct，t_st为待机时间；t_air为空切削时间，L_air为空切路径长度，f_v是所在传动轴进给速度，f_v＝nzf_z，z为刀具齿数；t_cutting为切削时间，L为切削路径长度；t_ct为换刀时间，其中，t_pct表示单次磨钝换刀时间，T表示刀具寿命；

SEC表示数控加工能效：

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E_total为机床总能耗，分两种情况：

考虑全加工过程时：

全加工过程机床总能耗考虑待机时段、空切时段、加工时段和磨钝换刀时段的机床能耗，机床的待机、空切削、加工、换刀四个时段中负载变化都处于相对平稳的状态，一个完整的机械加工过程的机床总能耗表示为：

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仅考虑切削过程时：

不考虑机床待机能耗以及磨钝换刀能耗，机床总能耗表示为：

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其中，MRR表示物料去除率，对于铣削加工，MRR＝f_va_pa_e，单位mm³/min；P_st表示待机时段能耗，机床待机时段功率包括动力关联类辅助系统的功率P_au-power、空载系统中变频器P_inverter和伺服器功率P_motor表示主轴电机损耗；P_{spindle-transmitt}＝a₁n+a₂n²表示机械传动空载损耗，a₁、a₂是机械传动损耗系数；表示所在传动轴伺服电机损耗；表示所在传动轴机械传动空载损耗，b₁、b₂是传动轴机械传动空载损耗系数；P_au-machine是加工关联类辅助系统功率；k_c是切削力系数；c₀、c₁为附加载荷功率P_a与切削功率P_c构成的二次函数的系数，

3)确定约束条件：

其中，n_min≤n≤n_max表示主转轴约束，n_min和n_max分别表示机床最低和最高转速；f_{v min}≤f_v≤f_{v max}表示进给量约束，f_{v max}和f_{v min}分别表示机床的最快和最慢进给速度；P_c≤ηP_max表示机床的功率约束，η是机床功率有效系数，P_max是机床最大功率；F_c表示机床的主切削力，F_c≤F_{c max}表示机床的切削力约束，F_{c max}表示机床所能提供的最大切削力；F_c≤F_s表示主轴刚度约束，F_s是主轴刚度所能允许的最大切削力；R_a＜[R_a]表示加工精度约束，L_a为刀具的前角；C_a为刀具的后角，[R_a]为工件所允许的最大表面粗糙度值；

4)获得min F(n，f_v，a_p，a_e)时，所对应的n、f_z、a_p和a_e的值；

5)采用步骤4)所获得的主轴转速n、每齿进给量f_z、背吃刀量a_p以及侧吃刀量a_e对工件进行切削加工。